船舶振动讲义第九章

§9-3 波浪的激励概述
一.船舶航行时由于波浪而激起的船体振动 分为两类： 1.冲荡振动或击振：
速，二阶等于2倍主机转速（每转2次）。 2.不平衡力矩的种类和作用平面：一阶、二阶均 有垂直和水平共四种。作用平面为水平面、铅垂面。
3.二阶不平衡力矩常成为船舶有害振动的主要激 励源：
因为二阶比一阶大得多，二阶的平衡补偿不容易。 4.对船舶振动的影响，与主机特性（转速、缸径、 冲程、曲柄排列、发火顺序）和船总体布置有关。
2.轴承力及其计算：
1）轴承力引起船体振动的机理：
由于螺旋桨在尾部不均匀伴流场中旋转，桨叶在一周 内通过的是进速不同的伴流场，在任一瞬时各桨叶的 攻角不同，因此导致桨叶上推力和旋转阻力变化。由 于作用在各桨上的脉动推力Ti 的合力的作用中心不通 过桨轴，因此产生如图6.5（ a）所示的脉动推力、垂 直和水平力矩。所以，轴承力有三个脉动分力和三个 脉动力矩。周期形变化推力△Px会引起轴系、船体和 上层建筑的纵向振动；扭矩△Mx会引起轴系扭转振动； 而垂直于桨轴的垂向力△Pz、绕y轴的力矩△My会引起 轴系和船体垂向振动；而垂直于桨轴的横向力△My、 绕z轴的力矩△Mz会引起轴系和船体水平振动。
有垂直于桨轴的离心惯性力产生， 该周期性激励其频率 等于桨轴转速。
后果：干扰力导致尾轴振动，通过轴承引起船体振动。 控制措施：必须进行静平衡校验，限制离心惯性力大小。
2.动力不平衡 原因：1）桨制造的误差；
2）营运中遭到碰撞。
力学特征：虽然桨质心在回转轴线上，但各桨叶在轴
线方向前后有错位，导致各桨叶质心不在同一桨盘面 内，在桨旋转时各桨叶产生的离心力形成垂直于桨盘 面的不平衡力矩，其频率等于桨轴转速。
平衡器种类（按驱动方式分）：
1）由曲轴驱动直接附装在主机上[曲轴前后端（对一 次）加平衡重量]； 2）电机驱动，安在舵机室甲板处（位于振型曲线振幅 较大处）力对节点的矩等于主机不平衡矩。
平衡器种类（按用途分）：
1）1阶力矩平衡器； 2） 2阶力矩平衡器； 3）组合式（同时平衡1、2阶） 平衡补偿器原理详见《船舶有害振动的预防》（指导 性文件）。
2）轴承力 3）表面力判据 4）梢隙。
六.减小桨激励的方法：
1.改善伴流分布：使之尽可能均匀 1）设计阶段：振动、阻力推进问题综合权衡考虑。一般 单桨船采用球、U形尾。水线去流角控制在30º以内。 2）营运阶段：加尾鳍，尾流隧道，旋涡发生器，补偿导 管等。 2.改进桨设计（合理选择螺旋桨要素） 1）叶数 （1）叶数，桨脉压（一般）； （2）桨轴承力与桨叶数选择有关（参见轴承力计算）； （3）结合主机常用转速，选取合适的叶数以避船共振； （4）确定叶数时，也考虑轴扭转，纵、回旋振和机架振。 2）大侧斜桨 （可减桨轴承力和表面力） 3)减少桨激励传递（梢隙） 避振穴等
1.激励产生的原因和种类： 1）概述 a.伴流：当船在水中以vs前行时，船体周围有一股水流伴
随着船一起运动。（原因：遗留空隙、边界层、兴波） b.伴流场：船后伴流的速度场，一般指轴向伴流场。 （因为轴向伴流速度大，轴向、径向伴流是2阶小量）
c. 航速、进速、轴向伴流速度三者关系： va=vs-ua 式中： ua ：轴向伴流速度（m/s）； vs ：航速（m/s）； va ：进速（进入螺旋桨桨盘面处的水流速度）
5）表面力：
螺旋桨转动时经水传至船体表面上的脉动压力，称为 螺旋桨脉动压力，该力沿船体表面的积分（合力）， 称为表面力。
6）激励频率计算：
螺旋桨在不均匀伴流场中运转时产生的激励频率 fe=（KNZ）/60 （6.6） 式中： fe—螺旋桨激励频率（Hz）；K—激励阶 数， K=1，2，3…；Z—螺旋桨叶数；N—螺 旋桨转速（r/min）。 fe当K=1时称为叶频； K=2时称为倍叶频； K=3 时称为3倍叶频，等等。
d.伴流场表示方法：wT=ua/vs 式中： wT：伴流分数（泰勒伴流分数），无量纲数。
通常，将桨盘面处测得的各点伴流分数绘制在一张图 （伴流分布图），图上曲线是由桨盘面相等的伴流分数 值的点连接成，如图6.1所示。
2）叶频激励产生原因之一：
由图6.1可知，靠近桨毂和船壳位置的伴流分数值较高， 其他位置较低，从而使得不同半径处进速是不同的，即 使在同一半径上，绕轴转一周内，叶剖面也处在不同的 进速下工作，因此导致每个桨叶剖面的来流攻角也作相 应的变化，即处在大攻角、小攻角甚至负攻角下工作。 见图（速度三角形）
的推力Ti 和旋转阻力Ri也不相等，导致总推力T不会与 桨轴线重合，由于偏心的结果，而产生周期性轴频力 矩。另外，由于旋转阻力的合力R不等于零，也产生周 期性轴频力矩。
后果：周期性的轴频力矩通过尾轴和轴承传给船体，引
起船体振动。
注：为此，指导性文件对螺距误差有要求。
四.螺旋桨在尾部不均匀伴流中运转时诱导 的激励（叶频激励）
注：（敞水均匀流场，脉动压力仍存在，船后不均匀流
场脉压波动加大）
3）空泡：
空泡体积变化、生与灭，造成脉压幅值变化，它对表 面力的影响很大。
二.螺旋桨静力、动力不平衡引起的轴频激励
1.静力不平衡： 原因：
1）桨制造误差（各叶间夹角、叶宽及叶厚不尽相同）； 2）桨叶空泡剥蚀。
力学特征：桨整体质心不在回转轴线上，当桨转动时，就
4.影响桨激励的因素：
1）桨的形状参数； 2）船尾部线型、附体； 3）航速。
5.轴承力和表面力： 1）表面力：
桨旋转源自文库经水传至船体表面的脉动水压力。
2）轴承力：
因伴流不均匀导致桨叶上承受周期性变化的力，该力通 过桨轴和轴承作用于船上。
注：一般表面力是主要的，即脉动压力主要。 6.桨脉动压力产生的原因： 1）螺旋涡系：
第九章 船舶的主要激励
船上出现的有害振动主要是由螺旋桨、机器 （主机、发电机、发动机、泵、通风机）和波 浪激励引起的。
§9-1 螺旋桨的激励
一.概述 1.有害振动70%是由桨激励引起的。 2.因激励幅值过大或者虽然激励幅值不算太大， 但却激起船舶总体或者局部结构共振，都将造 成振动响应过大，在船上产生有害振动。
每个桨叶产生的推力和扭矩也在作相应的变化， 如图6.2所示。 图6.2 每片桨叶推力（1转） 如果是4叶桨，桨转一周内将出现4次大的推力峰 值波动，这就是叶频激励。 3）轴承力 螺旋桨转动时，由于作用在桨叶片上的推力和 旋转阻力的变化，诱导出的三个力、两个力矩、 一个扭矩。统称为轴承力，见图6.4。 图6.4 传递给桨轴的水动力和力矩。
3.桨产生的激励有两种：
1）轴频激励（一阶激励或一阶干扰）
由桨叶静力、动力不平衡引起的轴频激励，其激励频率 等于桨轴转速，它与桨的制造质量有关，与水动力不平 衡有关。
2）叶频激励：
桨在不均匀流场中运转而诱导出的高阶激励（叶频、倍 叶频），其激励频率等于桨叶数的整数倍，即叶频、2 倍叶频等，有表面力和轴承力两种。
3.表面力特点及计算方法简介
特点：1）无空泡桨产生的脉动压力按传播距离 r的2.5次
方成反比的关系而衰减。 2）有空泡桨的表面力要比无空泡桨大得多。
3）有空泡桨产生的脉动压力约与传播距离r成反 比而衰减。 4）桨产生的脉动压力大小，主要取决于尾部伴 流场和桨参数。 5）无空泡螺旋桨产生的脉动压力大小取决于桨 叶上水动力负荷、桨叶厚度、桨叶数和叶梢间 隙等。 6）有空泡螺旋桨产生的脉动压力取决于桨叶上 水动力负荷及桨叶负荷沿径向的分布、侧斜度 和桨叶面积。
二.关于主机不平衡力和力矩
往复运动机械存在不平衡力和力矩，尽管柴油机厂家 做了平衡补偿，但仍未完全平衡。如：渔船主机2135 （二缸四冲程）其不平衡力、力矩造成的振动危害很 多；4135、4100（四缸四冲程），有不平衡力；6135， 有不平衡力矩。 参见：常用柴油机平衡特性表。
三.不平衡力及力矩的一般特性： 1.激励频率：（与主机转速有关）一阶等于主机转
计算方法简述：
近年来，计算表面力的经验公式有了一 定发展，基于一定数量的实船试验和模 型试验的测试数据，在理论分析基础上 用统计方法获得近似计算公式，其中较 实用的方法是霍尔顿（ Holdon）方法。 此方法是在72艘船实船试验的基础上， 用回归分析方法获得有空泡螺旋桨和无 空泡诱导的船体表面上脉动压力的预报 公式。 详见《船体振动学》金成定
5.与主机安装位置有关（激起垂向振动）。 四.预防主机激起振动的措施 1.改变频率
1）改变主机频率（重新选择主机或营运转速）； 2）改变船舶固有频率（重新设计船，变化船质量、刚 度而改变垂向弯曲振动固有频率） 注：改变范围有限，代价大，作用有限，应用不多。多 为预防措施，在初步设计阶段使用。
2.调整主机安装位置
后果：该力矩引起桨轴弯曲振动（尤其对高转速桨影响
显著），并通过轴承引起船体振动。
控制措施：除了做静平衡校验外，还须进行动平衡校
验。
三.螺旋桨水动力不平衡引起的轴频激励
原因：桨制造误差，造成各叶片螺距不等（影响最大），
或各桨叶长或宽不等，虽静、动平衡性很好，也会在 “敞水”中转动时产生动力不平衡。
力学特征：来流对各桨叶攻角不同，每一个桨叶上作用
2）轴承力（叶频）估算 参见《船体振动学》金成定 《船上有害振动预防》人民交通出版社 注：a. 轴承力的大小取决于尾部伴流场、桨参数（侧斜
度、桨叶数）、桨转速及航速。 b.估算原理：叶频的轴承力（推力、垂向力、水平力、 力矩、垂向力矩、水平力矩）的数值按经验数据取平均 推力或平均扭矩的某一百分数。
《船上有害振动预防》
五.渔船激励的计算思路
1.尾部伴流场计算：
1）伴流场计算（伴流均匀很重要） 2）伴流场船模测定（经尺寸修正得实船数据；阻力、 自航试验；用毕托管测轴向、周向伴流）。
2.伴流均衡性（英国）5条规定 3.表面力（脉压）计算：有（无）空泡 4.轴承力计算：参见规范《渔船振动预报》 5.衡准：几个方面：1）伴流均匀度
§9-2 主机（柴油机）激励
柴油机激励是导致船体振动的又一主要激励源。 一.概述 A.柴油机运转时产生的激励主要有两种： 1.运动部件的惯性力形成的不平衡力和力矩。 特点： 1）低阶激励； 2）激励幅值取决于运动部件的质量，发火顺序、缸数、 冲程数、活塞行程及转速； 3）激励频率取决于发火顺序、缸数、冲程和转速。 2.气缸内油气燃烧后产生气体压力和往复惯性力合成后 导致的倾覆力矩。
4）叶频激励产生原因之二：
桨在尾部不均匀伴流场转动时，每一叶片扰动 水时伴随着产生一个压力向外传播，假定桨正 上方船底有一点A，当第一个桨叶经过时，A点 处有一个压力作用在上面，当第二个桨叶经过 时， A点处又有一个压力作用在上面，如果是 4叶桨，在桨转一周时， A点处将受到4次压力 作用，脉动压力在一周内波动频率等于桨叶数 乘以桨轴转速，此压力称为桨诱导的叶频脉动 压力。 见示意图
桨工作时，叶面与叶背的压力差在叶梢处形成螺旋涡系， 使桨附近水中各点的压力周期性变化，压力场内船体 结构受周期性脉压作用。桨载荷（推力和力矩）不同， 涡旋强度亦不同。
2）叶厚效应：
桨叶有厚度，在流场中运动时，该场中某一点P处的压 力将随着桨叶的接近和远离该点而发生周期性变化， 由此形成对结构的脉动压力，这种效应称为叶厚效应。
对大于衡准的“不平衡矩”，主机安装位置尽量远离 两频率相同或相近的相关振型曲线的节点（特别对尾 机型船） 。 （初步设计时，绘船舶振型曲线，合理决定主机安装 位置）
3.加装平衡补偿装置 目的：减少不平衡力矩（是普遍应用的措施）。 缺点：增加造价，提高成本（应具体分析、合理选
择）。 平衡补偿装置（平衡器）：使偏心质量以和主机激振频 相同的转速旋转，产生力或力矩以抵消主机不平衡矩、 减少其对振动的影响。
特点：
1）高阶激励； 2）激励幅值取决于缸径、活塞行程、工作压力、 缸 数、冲程数和转速； 3）激励频率取决于缸数、冲程数和转速。 B.柴油机激励导致船体振动： 1.激励使柴油机本身、轴系、周围支撑结构以及船体产 生振动。 2.低速大功率少缸数柴油机（二冲程）存在特别大的不 平衡力矩，有时会造成船体有害振动。 3.中、高速柴油机（一般四冲程），尽管它们的激励幅 值较小。但它们都用作小船主机或作为辅机。也会引 起船体有害振动或者造成局部振动。